用于先进的工业燃气轮机(IGT)的镍基高温合金材料技术(2)

图4为GE H级燃气轮机第一级由SX Rene’N5制成的叶片。这种镍基高温合金直接来自航空发动机的应用,目前在GE H级和FB级燃气轮机生产线上，用于生产第一级叶片和第一级喷嘴和壳体。GE在IGT生产中第一次使用了SX镍基高温合金。在IGT生产中引入SX镍基高温合金需要进行重大的材料和工艺开发，包括SX熔模铸造设备和技术，陶瓷模型和型芯开发，以及铸后连接，加工，涂层和检验技术，以便制造出这些非常复杂、高性能的叶翼。

图3 由DS GTD-444TM制成的第三级和第四级IGT叶片

用于先进的工业燃气轮机(IGT)的镍基高温合金材料技术

图4 由SX Rene’N5制成的第一级IGT叶片

2.3 高梯度浇铸技术

高梯度这个词用来描述在操作良好,大的热梯度下用于凝固铸件的任何一种熔模铸造技术。这项技术使铸造材料具有改进很大的微观组织有很大的改进，改善了化学成份的均匀性。在传统的DS或SX熔模铸造工艺中,铸模的热量通过传导到一块激冷板和辐射到周围环境中去,包括在铸模拉晶过程中从炉子底部开放式的隔板上损失的能量。在高梯度铸造工艺中，铸模热量是将铸模浸入冷却介质，直接从炉子的铸模拉晶中去除的。高梯度冷却介质通常是液态金属，如铝或锡的熔池。

高梯度浇铸技术有可能通过消除与熔炼有关的缺陷,例如在复杂的叶翼形状中形成的黑斑，从而提高铸件的产量和生产能力。此外，高梯度浇铸生产出的铸造合金，其显微组织明显细化，通常用初生枝晶臂的间距来测量。这种显微组织的细化也伴有铸造显微疏松的减小，共晶相体积分数的减少以及碳化物形态和分布的改善。铸造合金的化学成分均匀性得到改善，这就使得镍基高温合金在热处理过程中能够更加充分地固溶，从而明显提高高温蠕变和疲劳性能。这种通过高梯度浇铸工艺取得的显微组织细化和化学成分均匀性的改善，在熔模铸造技术方面,既能提供逐步增加的收益,又能提供大的技术进步。通过高梯度浇铸取得改进的材料性能具有重要的设计优点。例如无需重新设计而实现部件升级，灵活地平衡更高的部件性能与延长部件寿命之间的矛盾，并且有可能铸造出更奇特、高性能、难铸造的镍基高温合金。此外，直接的材料替换有可能降低成本，也就是说，通过高梯度浇铸工艺改善比较便宜的合金的性能，在性能水平相当的条件下用比较便宜的合金代替比较昂贵的DS或SX镍基高温合金。

用于先进的工业燃气轮机(IGT)的镍基高温合金材料技术

2.4转子应用

表2列出许多重要的IGT转子合金的化学成份。当IGT性能提高时，转子设计会要求变形镍基高温合金具有更高的强度和耐高温性能。706合金和718合金具有比A286合金，M152和Cr-Mo-V钢更高的强度和抗蠕变性能。然而，IGT涡轮转子的尺寸和结构已经在大型镍基高温合金铸锭的熔炼/浇铸以及开坯/锻造成IGT叶轮和隔圈方面提出了重大的技术挑战。图5显示GE FB级燃气轮机第一级叶轮锻件（加工成半成品用于无损检测反射声波所需的形状）同一个典型的航空发动机涡轮盘锻件的尺寸比较。大型IGT的叶轮和隔圈所需的典型镍基高温合金铸锭毛重大于14,515kg(32,000lb)。与航空发动机工业不同，IGT工业用一个钢锭只生产一个IGT叶轮或者隔圈。由于生产IGT锻件所需的是大尺寸钢锭和接下来的大规格坯料，在坯料阶段存在粗晶显微组织，因此无损探伤不能检测到与熔炼有关的内部缺陷。

表2 镍基高温合金（706和718）转子合金的化学成分

一个单独的与熔炼有关的缺陷，例如白斑或者黑斑区域，有可能在加工到如图5所示最终超声波检测所需形状的锻件时，经过最后的无损检测而报废了这个零件。通过同高温镍基合金熔炼和锻造的战略供应商合作，GE已经成功开发了大型镍基高温铸锭的熔炼/浇铸技术，开坯/锻造工艺以及无损检测技术，用于生产FB级和H级燃气轮机大型的718合金叶轮和隔圈。

图5 一个IGT第一级叶轮锻件（加工成超声波检测形状）和一个典型航空发动机涡轮盘铸

件的尺寸比较

用于先进的工业燃气轮机(IGT)的镍基高温合金材料技术

GE在20世纪70年代中期生产了第一个706镍基高温合金的IGT锻件。这些锻件是用直径大约61cm（24in），重量约为5,443kg(12,000磅),经过两次熔炼的铸锭制成的。在20世纪80年代中期,对熔炼/浇铸和开坯/锻造工艺进行了改进,产品放大到可用于生产F级燃气轮机以代替CrMoV钢转子。该镍基高温合金锭直径从76cm增加到102cm(30到40in),重量从9,072kg增加到14,968kg(20,000到33,000lb)。三联冶炼工艺（VIM-ESR-VAR）被证明是适用于706合金的，并且在二十世纪80年代后期开始首次用于生产IGT的镍基高温合金锻件。第一个718镍基高温合金的IGT锻件由GE在1995年用于制造H级燃气轮机。该钢锭直径69cm（27in），大于迄今为止所生产的任何718合金锭。自二十世纪60年代开始，718合金就是一种广泛用于航空发动机盘件生产的结构合金。为了生产出IGT尺寸所需要的718合金锭，已经成功应用了类似用于航空发动机718合金盘件和IGT706合金叶轮的三联冶炼工艺。通过大量使用优化最终锻件整体显微组织的过程模型，使开坯和锻造工艺得到放大。

为了满足FB级燃气轮机转子尺寸的要求，镍基高温合金的熔炼/浇铸技术必须再次放大。为得到合适的锻件毛重，生产的钢锭直径达到91cm（36in），重量从12,701kg到14,968kg(28,000到33,000lb)。这是通过三联冶炼工艺（VIM-ESR-VAR）过程控制的关键性改进才得以实现的。严格控制VAR熔炼步骤，对防止产生与熔炼有关的缺陷非常关键。为了优化VAR工艺，大量使用过程模型。优化关键的工艺参数可以消除化学成份偏析和黑斑的形成，也就是在VAR炉自耗成锭过程中，应严格控制稳定的自耗凝固速率，并且在结晶锭中保持浅的熔池深度。通过工艺控制和设备的改进，稳定VAR炉上坩埚壁位置结晶锭锭冠，有助于消除白斑。随着H级燃气轮机的诞生，通过大量使用优化最终锻件整体显微组织的锻造过程模型，使开坯和锻造工艺得到放大。锻造这种尺寸的叶轮和隔圈需要非常大的锻压机。控制锻造参数，例如预热温度、变形速率、总变形和锻后热处理是非常关键的。

2.5 熔炼/浇铸技术

用于先进IGT转子的设计要求将超过718合金的材料性能，因此正在考虑研制新的变形镍基高温合金。辨别和开发具有良好高温性能的、有前途的合金候选者的关键，是在长期用于航空发动机生产的变形镍基高温合金和粉末冶金镍基高温合金之间进行成本/收益的权衡。如果IGT生产中改变为采用粉末冶金镍基高温合金，则需要在生产基础建设和大型尺寸IGT产品的粉末合金工艺技术的开发方面进行大量投资。然而,一种有希望的新型镍基高温合金熔炼/浇铸工艺――称为清洁熔炼成核浇铸（CMNC），正在由Allegheny-Teledyne Allvac,Monroe NC和GE按政府合同共同开发，这项工作有可能延迟向粉末冶金工艺转移的需求。CMNC正在被开发成强化的，熔炼/浇铸工艺,可以生产没有与熔炼有关的缺陷的大直径镍基高温合金锭。CMNC对于熔炼/浇铸高合金化(高强)的,易偏析的镍基高温合金成份,有可能提供其所需要的工艺适应性和发展潜力,否则这类材料将需要采用粉末冶金工艺。

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